Å spare penger er bra, men det er enda bedre å spare Chesapeake-bukta

Det kan forveksles med et naturfagprosjekt som er gått amok - en koffertstørrelse vanntett eske fylt med rør, elektroniske ledninger, målere og en LED-skjerm. For Whitman Miller, det er det fine. Alt er lett tilgjengelig, relativt billig og bemerkelsesverdig sofistikert. Han trenger den kombinasjonen av kvaliteter. For for å få svarene han leter etter, må han installere mye av disse boksene.

Fra denne historien

Smithsonian Environmental Research Center Smithsonian Marine Station, Fort Pierce, Florida

Miller er forsker ved Smithsonian Environmental Research Center, og han prøver å forstå effekten av økende CO2 på vannkjemi i kystøkosystemer. I løpet av de siste 150 årene har forbrenning av fossilt brensel og andre industrielle produksjonsprosesser pumpet store mengder CO2 ut i atmosfæren. Mye av det har havnet i jordens hav der det reagerer med sjøvann og senker pH. Som et resultat blir Jordens farvann surere, en tilstand som kan fjerne mange avskallede organismer av kalsiumet og truer med å forstyrre hele økosystemene.

Selv om det ofte blir referert til som forsuring av havet, er effekten av økende CO2 ikke begrenset til havfarvann. Det er bare lettere å se der. Havoverflaten er et ganske homogent miljø der CO2-konsentrasjoner i vannet har en tendens til å være i likevekt med CO2 i atmosfæren - for tiden rundt 399, 6 deler per million (ppm). Forskere har sett at det kryper jevnt og trutt med en hastighet på 1 ppm hvert år de siste tiårene.

Men historien er ikke så lett å lese i kystøkosystemer der CO2-konsentrasjoner kan svinge med tusenvis av deler per million på en enkelt dag. Kystsystemer er langt mer komplekse med mange flere bevegelige deler. Her blandes ferskvann med saltvann. Temperatur og saltholdighet varierer fra sted til sted og kan endres med tidevannet. Oksygennivået stiger i løpet av dagen, når gress og alger fotosynteser, og krasjer om natten når fotosyntesen stopper. Alle disse interaksjonene driver dramatisk svingning i CO2-nivå. De varierer også fra sted til sted og til daglig. Å forstå hvordan en relativt liten økning i global CO2 vil påvirke et system med så mye naturlig svingning, betyr å lære nøyaktig hvordan det systemet fungerer.

Kofferten er spekket med barometriske trykksensorer, temperatursensorer, sensorer for relativ fuktighet, og selvfølgelig en CO2-sensor. (Kimba Cutlip)

"Vi prøver å erte mange av disse forskjellige driverne, " sier Miller. “Fordi vi vet at det ikke bare er likevekt mellom luft og hav. Vi vet at det er land-havgrensesnitt. Vi vet at det er biologiske effekter av fotosyntese og respirasjon, og fysiske effekter av vanntilførsel forskjellige steder. Men for å erte hver av disse driverne, lærer vi at vi trenger mange målinger. Vi trenger en høy målingstetthet på grunn av denne spesielle ujevnheten og på grunn av måten den endrer seg gjennom tid på daglige, sesongbaserte og tidevannsskalaer. ”

Miller trenger et nettverk av overvåkningsstasjoner for å samle det nivået av data, et nettverk som ikke var praktisk da han begynte dette arbeidet. Overvåkningsinstrumenteringen som var nødvendig var ting av havbøyer og store forskningsskip som kostet titusenvis av dollar per instrument.

Så Miller begynte å utvikle et annet alternativ. Han har bygd sine egne bærbare, billige overvåkningsstasjoner med lett tilgjengelige elektroniske komponenter og en billig mikrokontroller av den typen hobbysnakker bruker for å lage roboter og bevegelsesdetektorer. Det han har kommet frem til er forskjellen mellom et lite rom fullt av utstyr som ringer inn til $ 100.000, og en koffertstørrelse til prisen for en avansert hjemmeværende værstasjon.

Inni den boksen har Miller pakket barometriske trykksensorer, temperatursensorer, sensor for relativ fuktighet og selvfølgelig en CO2-sensor. "Denne karen her koster under $ 300, " sier han og peker på et kvadrat med elektronikk som ikke er større enn et kortstokk. "Den infrarøde gassanalysatoren - dette er kjernen i å gjøre selve CO2-målingen." Han sier at instrumentet på en havbøye kan koste så mye som $ 20.000.

Med lett tilgjengelig elektronisk utstyr og billige vanntette kasser, kan Miller og kollegene bygge enhetene rett i laboratoriet deres. (Kimba Cutlip)

Utenfor boksen, på den "våte siden", pumpes vann gjennom et rør og presses inn i likevekt med et lite volum luft. Gassanalysatoren bestemmer konsentrasjonen av CO2 i den luften, og en datalogger holder styr 24/7.

"Dette er en nyskapende tilnærming, " sier Mario Tamburr, "å se på en enkel billig måte å få disse målingene på." Tamburri er forskerprofessor ved University of Maryland Center for Environmental Sciences (UMCES). ”Vårt største problem nå er å kunne overvåke disse viktige parametrene i riktig tidsmessig og romlig skala. Så disse typer høye tidsmessige og romlige oppløsningsmålinger er nøkkelen til å forstå forsuringsproblemene, spesielt i kystfarvann. "

Tamburri er også administrerende direktør i Alliance for Coastal Technologies, et partnerskap mellom forskningsorganisasjoner som fungerer som et slags testlaboratorium for vitenskapelig utstyr. "En av tingene vi prøver å gjøre er å fremme utvikling og adopsjon av nye innovasjoner." Han har drevet en av Millers overvåkningsstasjoner fra brygga ved UMCES i et år "for å demonstrere sin evner og potensial slik at andre brukere også kan har litt tillit til å adoptere det. ”

For tiden er det tre andre CO2-overvåkningsstasjoner i drift. En på Smithsonian Environmental Research Center i Edgewater hvor Miller jobber, en på Smithsonian Marine Station i Fort Pierce, Florida, og en annen ved Smithsonian Tropical Research Institute i Panama. Miller er ennå ikke klar til å begynne å masseprodusere instrumentene sine. Han har noen flere justeringer før han kan begynne å utvikle et nettverk av overvåkingssteder i hele Chesapeake Bay. Han jobber med å bytte ut pumpen med en som trekker mindre strøm, helst en som kjører på solenergi. Og han håper å kunne redusere prisen ytterligere (en stasjon koster nå rundt 7000 dollar). Etter hvert håper han å verve innbyggerforskere, frivillige som er villige til å holde dem på sine private brygger.

"Min gullstandard for et instrument er at du kan overføre det til en innbyggerforsker, " sier han, "og for at de skal kunne ta vare på det, kjøre dem og utvikle dataene. Det må være noe som noen som ikke har mange års utdanning med instrumenter, kan få det til å fungere. ”

Det er hva det skal til for å få den type målinger som trengs for å virkelig forstå rollen som økende CO2 i disse komplekse systemene.

Kontrollenheten som Miller kaller "hjertet av det hele" er en liten mikroprosessor som først ble utviklet for amatører som ønsker å lage enkle roboter. (Kimba Cutlip)